JP2014049591A - Electron beam pumped light source - Google Patents

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研 片岡
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真典 山口
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide such a structure that the surface of a semiconductor light-emitting element is not charged by an electron beam incident on the semiconductor light-emitting element to cause unstable emission or decreased reliability, in an electron beam pumped light source device including a vacuum container having a light transmission window, a semiconductor light-emitting element arranged so that the surface faces the light transmission window, in the vacuum container, and an electron beam source for irradiating the semiconductor light-emitting element with an electron beam.SOLUTION: An electron beam source 30 is arranged to irradiate the light radiation surface of a semiconductor light-emitting element 20 with an electron beam from the side, the semiconductor light-emitting element 20 includes, on a substrate, a plurality of protrusions extending in a direction orthogonal to the electron beam incident direction, the protrusion has a triangular cross-section, a luminous layer is provided on a taper surface on the electron beam source 30 side where electrons enter, and an antistatic film is provided on a taper surface on the reverse side of the electron beam source 30.

Description

この発明は、電子線励起型光源装置に関するものであり、特に、電子線源から放射された電子線によって励起されて発光する半導体発光素子を備えた電子線励起型光源装置に係わるものである。   The present invention relates to an electron beam excitation light source device, and particularly to an electron beam excitation light source device including a semiconductor light emitting element that emits light when excited by an electron beam emitted from an electron beam source.

従来、このような電子線励起型光源装置としては、特開平09−214027号公報(特許文献1)や特許第3667188号公報(特許文献2)で開示されるように、電子線源から放出された電子を、該電子線源と半導体発光素子との間に印加された加速電圧によって加速して電子線を形成し、この電子線を半導体発光素子に入射させることによって、半導体発光素子を励起して光を放射する構成が採用されている。   Conventionally, as such an electron beam excitation type light source device, it is emitted from an electron beam source as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 09-214027 (Patent Document 1) and Japanese Patent No. 3667188 (Patent Document 2). The electrons are accelerated by an acceleration voltage applied between the electron beam source and the semiconductor light emitting device to form an electron beam, and the semiconductor light emitting device is excited by causing the electron beam to enter the semiconductor light emitting device. The structure which radiates light is adopted.

図10に、特許文献1の概略構成が示されており、ガラス製の真空容器70内に電子線源71と半導体発光素子72とを備え、前記半導体発光素子72において、前記電子線源71からの電子線がその上面72aに入射され、該半導体発光素子72内で発光した光は該入射表面72aから放射されて、真空容器70外に放出されるものである。
また、図11に、特許文献2の概略構成が示されており、ガラス製の真空容器80内に、電子線源81と半導体発光素子82とが対向するように設けられており、前記半導体発光素子82において、前記電子線源81と対向する一表面82aに電子線が照射され、その入射表面82aとは反対側の表面から光が放射されて、真空容器80外に放出されるものである。
FIG. 10 shows a schematic configuration of Patent Document 1, which includes an electron beam source 71 and a semiconductor light emitting element 72 in a glass vacuum vessel 70. In the semiconductor light emitting element 72, the electron beam source 71 The electron beam is incident on the upper surface 72 a, and the light emitted in the semiconductor light emitting device 72 is emitted from the incident surface 72 a and emitted outside the vacuum container 70.
Further, FIG. 11 shows a schematic configuration of Patent Document 2, in which an electron beam source 81 and a semiconductor light emitting element 82 are provided in a glass vacuum container 80 so as to face each other, and the semiconductor light emission is performed. In the element 82, one surface 82a facing the electron beam source 81 is irradiated with an electron beam, light is emitted from the surface opposite to the incident surface 82a, and emitted outside the vacuum vessel 80. .

近年、このような電子線励起型光源装置は、小型で出力の高い紫外線を放射する光源装置として期待されており、具体的には、数Wクラスの高い出力が得られる小型のものが求められている。このため、電子線励起型光源装置は、半導体発光素子から発光を効率よく取り出す構造であることが望まれる。しかしながら、それにはまだ課題がある。
具体的に説明すると、半導体発光素子に電子線を照射すると、当該半導体発光素子の表面が電子線で帯電を起こすため、発光が不安定になったり、信頼性が低下したりするといった問題がある。
In recent years, such an electron beam excitation type light source device has been expected as a light source device that emits ultraviolet light with a small size and high output, and specifically, a small size device capable of obtaining a high output of several W class is required. ing. For this reason, the electron beam excitation type light source device is desired to have a structure for efficiently extracting light emission from the semiconductor light emitting element. However, it still has challenges.
More specifically, when a semiconductor light emitting element is irradiated with an electron beam, the surface of the semiconductor light emitting element is charged with the electron beam, which causes problems such as unstable light emission and reduced reliability. .

かかる問題に対しては、特許文献1および特許文献2等に開示されるものにおいては、半導体発光素子表面に金属膜(すなわち導電性膜)を形成し、当該素子の面の外部に電荷をリークする構成とすることで解消しようとしている。しかしながらそうした場合、電子線のエネルギーの一部がこの導電性膜に吸収されるという好ましくない事象が不可避的に生じるために、結局、出力を上げることができないという別の問題が発生することになる。
また、この導電性膜によるエネルギーの吸収分を補うためには、電子の加速電圧を高く設定しなければならないが、その場合は、装置内での放電やX線の外部への漏洩を防止するための対策を講じなければならず、装置が大型になってしまって、小型化の要請と逆行してしまうことになる。
With respect to such a problem, in those disclosed in Patent Document 1 and Patent Document 2, etc., a metal film (that is, a conductive film) is formed on the surface of the semiconductor light-emitting element, and charges are leaked outside the surface of the element. It is going to be solved by adopting a configuration to do. However, in such a case, an undesirable event that a part of the energy of the electron beam is absorbed by the conductive film inevitably occurs, and eventually, another problem that the output cannot be increased occurs. .
In order to compensate for the energy absorption by the conductive film, the electron acceleration voltage must be set high. In this case, discharge in the apparatus and leakage of X-rays to the outside are prevented. Therefore, it is necessary to take measures for this, and the apparatus becomes large, which is contrary to the demand for miniaturization.

また、特許文献1或いは特許文献2に記載の技術では、金属膜が共振器構造を形成するための反射鏡として構成されているものの、これによる効果は限定的である。すなわち、自然放出光を利用する場合は、導電性膜を半導体発光素子の表面に形成すると当該素子からの発光が遮光され、取り出すことができないため、このような導電性膜の構成では、発光を効率よく取り出すという課題の根本的な解決にはなっていない。   Moreover, in the technique described in Patent Document 1 or Patent Document 2, the metal film is configured as a reflecting mirror for forming a resonator structure, but the effect of this is limited. That is, when using spontaneous emission light, if a conductive film is formed on the surface of a semiconductor light emitting element, light emitted from the element is shielded and cannot be extracted. It is not the fundamental solution to the problem of efficient retrieval.

特開平09−214027号公報Japanese Patent Laid-Open No. 09-214027 特許3667188号公報Japanese Patent No. 3667188

この発明が解決しようとする課題は、基板上に発光層が形成された半導体発光素子に電子線源から放射された電子線を照射して、該半導体発光素子を励起して発光させる電子線励起型光源において、半導体発光素子の帯電を抑制できて、高い効率で光を放射することができる構造を提供するものである。   The problem to be solved by the present invention is to excite an electron beam emitted from an electron beam source by irradiating a semiconductor light emitting device having a light emitting layer formed on a substrate to excite the semiconductor light emitting device. The present invention provides a structure that can suppress charging of a semiconductor light emitting element and emit light with high efficiency in a mold light source.

上記課題を解決するために、この発明に係る電子線励起型光源においては、前記電子線源が、前記半導体発光素子の光放射面に対して側方から電子線を照射するように配置され、前記半導体発光素子は、基板上に電子線入射方向に対して直交方向に延在する複数の突条部を備えてなり、該突条部は、一対のテーパー面を有し、前記電子線源側の電子が入射するテーパー面に発光層を備えるとともに、前記電子線源とは反対側のテーパー面に帯電防止膜を備えたことを特徴とする。
また、前記突条部は、該突条部の延在方向に直交する方向の断面が三角形状であることを特徴とする。
また、前記帯電防止膜は、アルミニウムの層で形成されていることを特徴とする。
In order to solve the above problems, in the electron beam excitation light source according to the present invention, the electron beam source is arranged to irradiate an electron beam from the side with respect to the light emitting surface of the semiconductor light emitting element, The semiconductor light emitting device includes a plurality of protrusions extending on a substrate in a direction orthogonal to an electron beam incident direction, the protrusions having a pair of tapered surfaces, and the electron beam source A light emitting layer is provided on the tapered surface on which the electrons on the side are incident, and an antistatic film is provided on the tapered surface opposite to the electron beam source.
Further, the ridge is characterized in that a cross section in a direction orthogonal to the extending direction of the ridge is triangular.
The antistatic film is formed of an aluminum layer.

本発明の電子線励起型光源によれば、基板に突条部が形成されているので、半導体発光素子内での全反射による光の閉じ込めがなく、発光層表面から効率良く光が放射される。
また、突条部の断面形状が三角形状であることで、電子線源側に形成されたテーパー面の全域で電子線を入射させることができ、その入射面積を大きくすることができる。
更には、突条部の電子線源とは反対にあって電子線入射には寄与しない側のテーパー面に帯電防止膜を設けたので、電子線入射を何等阻害することなく半導体発光素子の帯電を防止でき、更に、この帯電防止膜をアルミニウムの層で構成することにより、発光層で発生した光を反射して、この反射光が発光層から取り出されるので、放射光の高出力化に寄与するものである。
According to the electron beam excitation light source of the present invention, since the protrusion is formed on the substrate, there is no light confinement due to total reflection in the semiconductor light emitting device, and light is efficiently emitted from the surface of the light emitting layer. .
Moreover, since the cross-sectional shape of the protrusion is triangular, the electron beam can be incident on the entire tapered surface formed on the electron beam source side, and the incident area can be increased.
Furthermore, since the antistatic film is provided on the tapered surface on the side opposite to the electron beam source of the ridge and does not contribute to the electron beam incidence, the semiconductor light emitting device can be charged without obstructing the electron beam incidence. Furthermore, the antistatic film is made of an aluminum layer, so that the light generated in the light-emitting layer is reflected and the reflected light is extracted from the light-emitting layer, contributing to higher output of radiated light. To do.

本発明の電子線励起型光源装置の側断面図。The side sectional view of the electron beam excitation type light source device of the present invention. 図1の平断面図。FIG. 2 is a plan sectional view of FIG. 1. 本発明における半導体発光素子の平面図。The top view of the semiconductor light-emitting device in this invention. 図3のA−A部分断面図。FIG. 4 is a partial cross-sectional view taken along line AA in FIG. 3. 本発明の半導体発光素子を構成する基材の斜視図。The perspective view of the base material which comprises the semiconductor light-emitting device of this invention. 半導体発光素子の形成工程図。FIG. 6 is a process diagram for forming a semiconductor light emitting element. 半導体発光素子の部分断面図(A)およびそのX部拡大図(B)。The fragmentary sectional view (A) and its X section enlarged view (B) of a semiconductor light-emitting device. 突条部が台形の半導体発光素子の断面図。Sectional drawing of the semiconductor light-emitting device whose protrusion is trapezoid. 光放出面が傾斜した電子線励起型光源装置の説明図。Explanatory drawing of the electron beam excitation light source device with which the light emission surface inclined. 従来の電子線励起型光源装置の説明図。Explanatory drawing of the conventional electron beam excitation type light source device. 他の従来の電子線励起型光源装置の説明図。Explanatory drawing of the other conventional electron beam excitation type light source device.

図1、2に本発明の電子線励起型光源装置1の全体構成が示されている。
図において、この電子線励起型光源装置1は、内部が負圧の状態で密閉された外形が直方体状の真空容器10を備え、この真空容器10は、上面に開口を有する容器本体11と、この容器本体11の開口に配置されて当該容器本体11に気密に封着された光透過窓12とによって構成されている。
真空容器10における容器本体11を構成する材料としては、石英ガラス等のガラス、アルミナ等のセラミックスなどの絶縁物を用いることができる。
また、真空容器10における光透過窓12を構成する材料としては、半導体発光素子からの光を透過し得るものが用いられ、例えば石英ガラス、サファイアなどを用いることができる。
また、真空容器10の内部の圧力は、例えば10−4〜10−6Paである。
真空容器10の寸法の一例を挙げると、容器本体11の外形の寸法が40mm×40mm×20mm、容器本体11の肉厚が2mm、容器本体11の開口が36mm×36mmで、光透過窓12の寸法が40mm×40mm×2mmである。
1 and 2 show the overall configuration of the electron beam excitation light source device 1 of the present invention.
In the figure, the electron beam excitation type light source device 1 includes a vacuum container 10 having a rectangular parallelepiped shape sealed inside in a negative pressure state, and the vacuum container 10 includes a container body 11 having an opening on the upper surface, The light transmitting window 12 is disposed in the opening of the container body 11 and hermetically sealed to the container body 11.
As a material constituting the container main body 11 in the vacuum container 10, an insulator such as glass such as quartz glass and ceramics such as alumina can be used.
Moreover, as a material which comprises the light transmission window 12 in the vacuum vessel 10, the material which can permeate | transmit the light from a semiconductor light-emitting device is used, For example, quartz glass, sapphire, etc. can be used.
Moreover, the pressure inside the vacuum vessel 10 is, for example, 10 −4 to 10 −6 Pa.
An example of the dimensions of the vacuum container 10 is that the outer dimensions of the container body 11 are 40 mm × 40 mm × 20 mm, the thickness of the container body 11 is 2 mm, the opening of the container body 11 is 36 mm × 36 mm, and the light transmission window 12 The dimensions are 40 mm × 40 mm × 2 mm.

真空容器10内には、容器本体11の底壁11a上に半導体発光素子20が設置されていて、該半導体発光素子20の上面20aが光透過窓12から離間してこれに対向するよう配置されていて、この上面20aが光放射面として機能する。
一方、容器本体11の側壁11bには、電子線源30が固定されている。この電子線源30は、ベース31と、このベース31上に形成された支持基板32と、この支持基板32上に形成された電子放出部33と、更に、支持基板32と電子放出部33とは絶縁層34を介して前方(電子放出側)に配置された引出し電極35とから構成される。この電子線源30の引出し電極35の前方には電子線集束用電極36が配置され、電子放出部33からの電子を集束して電子線として、半導体発光素子20に指向する。
前記電子放出部33は、多数のカーボンナノチューブが、例えば、鉄、ニッケル、コバルト、クロムのいずれかを含む金属材料よりなる支持基板31上に支持されることによって形成されている。
かかる構成の電子線源30は、容器本体11の側壁11bに取り付けられることにより、その電子放出部32が、容器本体11における対向する他方の側壁に向いた形態で配置されている。この配置構造により、電子線源30からの電子線は、底壁11a上の半導体発光素子20の光放射面20aに対して側方から電子線を照射する配置関係になる。
In the vacuum vessel 10, a semiconductor light emitting element 20 is installed on the bottom wall 11 a of the container main body 11, and the upper surface 20 a of the semiconductor light emitting element 20 is disposed so as to be separated from the light transmission window 12 and face the same. The upper surface 20a functions as a light emitting surface.
On the other hand, an electron beam source 30 is fixed to the side wall 11 b of the container body 11. The electron beam source 30 includes a base 31, a support substrate 32 formed on the base 31, an electron emission portion 33 formed on the support substrate 32, and a support substrate 32 and an electron emission portion 33. Is constituted by an extraction electrode 35 disposed forward (electron emission side) with an insulating layer 34 interposed therebetween. An electron beam focusing electrode 36 is disposed in front of the extraction electrode 35 of the electron beam source 30, and the electrons from the electron emission portion 33 are focused and directed to the semiconductor light emitting element 20 as an electron beam.
The electron emission portion 33 is formed by supporting a large number of carbon nanotubes on a support substrate 31 made of a metal material including, for example, iron, nickel, cobalt, or chromium.
The electron beam source 30 having such a configuration is arranged in such a manner that the electron emission portion 32 faces the other opposing side wall of the container body 11 by being attached to the side wall 11 b of the container body 11. With this arrangement structure, the electron beam from the electron beam source 30 has an arrangement relationship in which the electron beam is irradiated from the side to the light emitting surface 20a of the semiconductor light emitting element 20 on the bottom wall 11a.

図3、4に半導体発光素子20の構造が示されていて、基板21上には複数の突条部22、22が直線的に延在して形成されている。該突条部22は、図4に示されるように、その延在方向に直交する方向での断面形状が三角形状であって、その表面である2つのテーパー面22a、22bの表層には、当該テーパー面に沿って発光層23が形成されている。
そして、この突条部22の一方のテーパー面22bには、発光層23上に帯電防止膜24が形成されている。
これにより、突条部22の一方のテーパー面22aは発光層23が露出し、他方のテーパー面22bには帯電防止膜24が形成された状態となる。
3 and 4 show the structure of the semiconductor light emitting device 20, and a plurality of protrusions 22, 22 are formed on the substrate 21 so as to extend linearly. As shown in FIG. 4, the protruding portion 22 has a triangular cross-sectional shape in a direction orthogonal to the extending direction, and the surface layer of the two tapered surfaces 22 a and 22 b that are the surfaces of the protruding portion 22 is A light emitting layer 23 is formed along the tapered surface.
An antistatic film 24 is formed on the light emitting layer 23 on one tapered surface 22 b of the protrusion 22.
As a result, the light emitting layer 23 is exposed on one tapered surface 22a of the protruding portion 22, and the antistatic film 24 is formed on the other tapered surface 22b.

このように形成された半導体発光素子20は、図2で示されるように、真空容器10内で、上面の突条部22の延在方向が、電子線源30からの電子線に対して直交するように配置される。そして、この半導体発光素子20の突条部22の発光層23が露出したテーパー面22aが前記電子線源30側に対向する位置に配置され、帯電防止膜24を設けたテーパー面22bがそれと反対側に位置するように配置されるものである。   As shown in FIG. 2, the semiconductor light emitting device 20 formed in this way has an extending direction of the protrusion 22 on the upper surface orthogonal to the electron beam from the electron beam source 30 in the vacuum container 10. To be arranged. The tapered surface 22a where the light emitting layer 23 of the protrusion 22 of the semiconductor light emitting device 20 is exposed is disposed at a position facing the electron beam source 30 side, and the tapered surface 22b provided with the antistatic film 24 is opposite thereto. It is arrange | positioned so that it may be located in the side.

図5には、このような導体発光素子20を構成する基材26が示されていて、該基材26は、例えばサファイアよりなる平板状の基板21と、その上面に積層された、例えばAlNよりなる複数のバッファ層25とからなる。このバッファ層25は直線状に延在して、その断面形状が三角形状をなし、2つのテーパー面25a、25bを有している。このバッファ層25が前述の突条部22を構成し、その2つのテーパー面25a、25bが、それぞれ突条部22のテーパー面22a、22bを構成する。
そして、図4に示されるように、上記構成の基材26におけるバッファ層25(突条部22)のテーパー面25a、25b(突条部22のテーパー面22a、22b)上に発光層23が形成されるとともに、これらのうちの一方のテーパー面25b(テーパー面22b)では発光層23上に帯電防止膜24が積層形成されるものである。
FIG. 5 shows a base material 26 constituting such a conductor light emitting element 20, and the base material 26 is, for example, a flat substrate 21 made of, for example, sapphire, and, for example, AlN laminated on the upper surface thereof. And a plurality of buffer layers 25. The buffer layer 25 extends linearly, has a triangular cross section, and has two tapered surfaces 25a and 25b. The buffer layer 25 constitutes the above-described ridge 22, and the two tapered surfaces 25 a and 25 b constitute the tapered surfaces 22 a and 22 b of the ridge 22, respectively.
And as FIG. 4 shows, the light emitting layer 23 is on the taper surfaces 25a and 25b (taper surface 22a, 22b of the protrusion part 22) of the buffer layer 25 (protrusion part 22) in the base material 26 of the said structure. The antistatic film 24 is laminated on the light emitting layer 23 on one of the tapered surfaces 25b (tapered surface 22b).

このような構成の半導体発光素子20は、図6に示すように、例えばMOCVD法(有機金属気相成長法)によって形成することができる。
具体的には、先ず、図6(A)に示すように、サファイアよりなる基板21材料の(0001)面上に、フォトリソグラフィー法およびリアクティブイオンエッチング法(RIE法)によって複数の直線状の溝27を所定の間隔で並列に形成する。
次いで、図6(B)に示すように、基板21における複数の溝27が形成されてなる一面に、MOCVD法により、水素および窒素からなるキャリアガスと、トリメチルアルミニウムおよびアンモニアからなる原料ガスとを用いて気相成長させることによって、基板21の溝27の底部27aおよび溝間部21aの各々に、所定の厚みを有するAlNからなる断面が直方体形状のバッファ層下部分25cを形成する。
その後、図6(C)に示すように、処理温度、V/III比および処理圧力などの気相成長条件を調整することにより、前記バッファ層下部分25c上に、AlNからなり、2つのテーパー面25a、25bを有する断面三角形状のバッファ層上部分25dを形成する。これにより、バッファ層下部分25cとバッファ層上部分25dとからなるバッファ層25が得られる。
The semiconductor light emitting element 20 having such a configuration can be formed by, for example, MOCVD (metal organic chemical vapor deposition) as shown in FIG.
Specifically, first, as shown in FIG. 6A, a plurality of linear shapes are formed on the (0001) surface of the substrate 21 made of sapphire by photolithography and reactive ion etching (RIE). The grooves 27 are formed in parallel at a predetermined interval.
Next, as shown in FIG. 6B, a carrier gas composed of hydrogen and nitrogen and a source gas composed of trimethylaluminum and ammonia are formed on one surface of the substrate 21 where a plurality of grooves 27 are formed by MOCVD. By using the vapor phase growth, a buffer layer lower portion 25c having a rectangular parallelepiped cross section made of AlN having a predetermined thickness is formed in each of the bottom portion 27a and the inter-groove portion 21a of the groove 27 of the substrate 21.
Thereafter, as shown in FIG. 6C, by adjusting the vapor phase growth conditions such as the processing temperature, the V / III ratio, and the processing pressure, the buffer layer lower portion 25c is made of AlN and has two tapers. A buffer layer upper portion 25d having a triangular cross section having the surfaces 25a and 25b is formed. Thereby, the buffer layer 25 including the buffer layer lower portion 25c and the buffer layer upper portion 25d is obtained.

こうして基板21上に形成されたバッファ層25におけるテーパー面25a、25b上に、MOCVD法により、水素ガスおよび窒素ガスからなるキャリアガスと、トリメチルアルミニウム、トリメチルガリウムおよびアンモニアからなる原料ガスとを用いて気相成長させることにより、所定の厚みを有するInxAlGa1−x−yN(0≦x<1,0<y≦1,x+y≦1)からなる単一量子井戸構造または多重量子井戸構造を有する発光層23を形成し、図4に示すような半導体発光素子20を形成することができる。
ここに、InAlGaNよりなる量子井戸層を形成する場合には、原料ガスとして、上記のものに加えてトリメチルインジウムを用い、処理温度をAlGaNよりなる量子井戸層を形成する場合よりも低く設定すればよい。
On the tapered surfaces 25a and 25b of the buffer layer 25 thus formed on the substrate 21, a carrier gas composed of hydrogen gas and nitrogen gas and a source gas composed of trimethylaluminum, trimethylgallium and ammonia are formed by MOCVD. Single quantum well structure or multiple quantum well structure made of InxAl y Ga 1-xy N (0 ≦ x <1, 0 <y ≦ 1, x + y ≦ 1) having a predetermined thickness by vapor phase growth The light emitting layer 23 having the structure can be formed, and the semiconductor light emitting element 20 as shown in FIG. 4 can be formed.
Here, when forming a quantum well layer made of InAlGaN, trimethylindium is used as a source gas in addition to the above, and the processing temperature is set lower than when forming a quantum well layer made of AlGaN. Good.

前述の発光層23および帯電防止膜24についてさらに詳述すると以下の通りである。
図7(A)(B)に示されるように、前述のようにして得られた半導体発光素子20の突条部22(バッファ層25)のテーパー面22a、22b(テーパー面25a、25b)に形成される発光層23は、単一量子井戸構造または多重量子井戸構造であり、単一または複数の量子井戸層28と単一または複数の障壁層29とが、突条部22(バッファ層25)上にこの順で交互に積層されて構成されている。すなわち、突条部22には、当該突条部22におけるテーパー面22a、22b上に、当該テーパー面に対して垂直な方向に、量子井戸層28と障壁層29とがこの順で交互に積層されることによって量子井戸構造が形成され、これによって発光層23が形成されているものである。
量子井戸層28の各々の厚みは、例えば0.5〜50nmである。また、障壁層29はその禁制帯幅が量子井戸層28のそれよりも大きくなるように組成を選択され、一例としては、AlNを用いればよく、各々の厚みは量子井戸層の井戸幅より大きく設定され、具体的には、例えば1〜100nmである。
また、発光層23を構成する量子井戸層28の周期は、量子井戸層、障壁層および発光層全体の厚みや、用いられる電子線の加速電圧などを考慮して適宜設定されるが、通常、1〜100である。
The light emitting layer 23 and the antistatic film 24 will be described in detail below.
As shown in FIGS. 7A and 7B, the tapered surfaces 22a and 22b (tapered surfaces 25a and 25b) of the protrusions 22 (buffer layer 25) of the semiconductor light emitting device 20 obtained as described above are formed. The formed light emitting layer 23 has a single quantum well structure or a multiple quantum well structure, and a single or a plurality of quantum well layers 28 and a single or a plurality of barrier layers 29 are formed by protrusions 22 (buffer layers 25). ) And are alternately stacked in this order. In other words, the quantum well layers 28 and the barrier layers 29 are alternately stacked in this order on the tapered surfaces 22 a and 22 b of the protruding portions 22 in the direction perpendicular to the tapered surfaces. As a result, a quantum well structure is formed, whereby the light emitting layer 23 is formed.
The thickness of each quantum well layer 28 is, for example, 0.5 to 50 nm. The barrier layer 29 has a composition selected such that the forbidden band width is larger than that of the quantum well layer 28. For example, AlN may be used, and each thickness is larger than the well width of the quantum well layer. Specifically, for example, it is 1 to 100 nm.
The period of the quantum well layer 28 constituting the light emitting layer 23 is appropriately set in consideration of the thickness of the whole quantum well layer, the barrier layer and the light emitting layer, the acceleration voltage of the electron beam used, etc. 1-100.

このような半導体発光素子20の具体的数値例を挙げると、基板21はサファイアよりなり、その厚みは、60μmであり、また該基板21に形成されている溝27は、溝深さが1μm、溝幅が3μm、互いに隣接する溝27の離間距離が3μmである。また、バッファ層25は、AlNよりなり、その厚みは、突条部22を構成するバッファ層上部分25dの厚み(突条部の高さ)が2.5μm、バッファ層下部分25cの厚みが600nmである。また、発光層23は、厚みが500nmのAlGaN層よりなる。   When a specific numerical example of such a semiconductor light emitting device 20 is given, the substrate 21 is made of sapphire, the thickness is 60 μm, and the groove 27 formed in the substrate 21 has a groove depth of 1 μm, The groove width is 3 μm, and the distance between adjacent grooves 27 is 3 μm. The buffer layer 25 is made of AlN. The thickness of the buffer layer upper portion 25d constituting the ridge 22 (the height of the ridge) is 2.5 μm, and the thickness of the buffer layer lower portion 25c is 25 μm. 600 nm. The light emitting layer 23 is made of an AlGaN layer having a thickness of 500 nm.

このようにして形成された発光層23の上に、選択的に帯電防止膜24が形成される。
即ち、帯電防止膜24は、電子線源30より放出された電子線が入射されないテーパー面22b、つまり、電子線源30とは反対側に位置される特定のテーパー面22b上に形成される。この帯電防止膜24は、突条部22の長さ方向に電気的に連続して形成されてさえいればよく、特定のテーパー面22bの全域に形成されることは必須ではなく、一部であっても良い。
半導体発光素子20は、真空容器10の内部から外部に引き出された導電線(不図示)を介して、該真空容器10の外部に設けられた、加速電圧を印加するための電子加速用電源(図示せず)の正極側に電気的に接続される。帯電防止膜24も半導体発光素子20と同様に該導電線に電気的に接続されている。
このように、突条部22の一方のテーパー面22bには、発光層23上に帯電防止膜24が積層され、これが電子加速用電圧電源に接続されていることにより、電子線源30に対向するテーパー面20a上の発光層23の表面に電荷が過剰に帯電することがなく、該発光層23における発光を阻害することが抑制される。
An antistatic film 24 is selectively formed on the light emitting layer 23 thus formed.
That is, the antistatic film 24 is formed on the tapered surface 22 b on which the electron beam emitted from the electron beam source 30 is not incident, that is, on the specific tapered surface 22 b positioned on the opposite side of the electron beam source 30. The antistatic film 24 only needs to be formed electrically continuously in the length direction of the ridge 22, and it is not essential that the antistatic film 24 be formed over the entire area of the specific tapered surface 22 b. There may be.
The semiconductor light emitting device 20 includes an electron acceleration power supply (external power supply) for applying an acceleration voltage provided outside the vacuum vessel 10 via a conductive wire (not shown) drawn from the inside of the vacuum vessel 10 to the outside. (Not shown) is electrically connected to the positive electrode side. Similarly to the semiconductor light emitting element 20, the antistatic film 24 is also electrically connected to the conductive wire.
As described above, the antistatic film 24 is laminated on the light emitting layer 23 on the one tapered surface 22b of the protrusion 22 and is connected to the electron acceleration voltage power source, so that it faces the electron beam source 30. Thus, the surface of the light emitting layer 23 on the tapered surface 20a is not excessively charged, and the light emission in the light emitting layer 23 is inhibited from being inhibited.

この帯電防止膜24は、例えば、以下の手順で作製することができる。
1.斜め蒸着(スパッタ)による方法:
基材21の突条部22のテーパー面22a、22b上に発光層23を全体に形成した後、一方のテーパー面22b上に真空蒸着装置やスパッタ装置で、例えば100nmのAlのアルミニウムの膜を形成する。
このとき、アルミニウムを蒸着(又はスパッタ)する際に、帯電防止膜24を形成する突条部22のテーパー面22bを、蒸着(スパッタ)源と平行になるように半導体発光素子20を配置する。
これにより、アルミニウムの膜が優先的に一方のテーパー面22bに形成されるため、比較的簡便に、帯電防止膜24としてのアルミニウム膜が得られる。
2.光リソグラフィーによる方法:
直線状の突条部22を形成した半導体発光素子20に光リソグラフィー法により所望の寸法および形状のマスクを作製する。
例えば、6μm周期で形成された断面形状が三角形状の突条部22に対して、周期6μm幅3μmの開口を持ったマスクを形成し、複数の突条部22の同一側のテーパー面22bに帯電防止膜24を形成するようにする。
続いて、真空蒸着装置やスパッタ装置で帯電防止膜24を所定の厚さまで形成する。具体的には、アルミニウム膜を100nmの厚さで形成する。
The antistatic film 24 can be produced, for example, by the following procedure.
1. Method by oblique deposition (sputtering):
After the light emitting layer 23 is entirely formed on the tapered surfaces 22a and 22b of the protrusions 22 of the base member 21, a 100 nm Al aluminum film, for example, is formed on one tapered surface 22b by a vacuum deposition apparatus or a sputtering apparatus. Form.
At this time, when aluminum is vapor-deposited (or sputtered), the semiconductor light emitting element 20 is arranged so that the tapered surface 22b of the protrusion 22 forming the antistatic film 24 is parallel to the vapor deposition (sputtering) source.
As a result, an aluminum film is preferentially formed on one tapered surface 22b, so that an aluminum film as the antistatic film 24 can be obtained relatively easily.
2. Optical lithography method:
A mask having a desired size and shape is produced by photolithography on the semiconductor light emitting element 20 having the linear protrusions 22 formed thereon.
For example, a mask having an opening with a period of 6 μm and a width of 3 μm is formed on the protrusion 22 having a triangular cross section formed at a period of 6 μm, and the tapered surface 22b on the same side of the plurality of protrusions 22 is formed. An antistatic film 24 is formed.
Subsequently, the antistatic film 24 is formed to a predetermined thickness by a vacuum evaporation apparatus or a sputtering apparatus. Specifically, an aluminum film is formed with a thickness of 100 nm.

なお、上記実施例では、突条部22の断面形状が三角形状のものを説明したが、これに限られず、図8に示すように、その断面形状が台形状であってもよい。
また、図1のものでは、半導体発光素子20は真空容器10内で水平に配置されたものを示したが、図9に示すように、その光放射面20aが、側方の電子線源30の方に向かうように若干傾斜するように配置されていても良い。
更には、図1、2に示す電子線励起型光源装置1では、電子線源30に対して一つの半導体発光素子20を配置した例を示したが、一つの電子線源30に対して複数の半導体発光素子20が配置されていてもよく、更には、電子線源30と半導体発光素子20の組み合わせを一つの容器10内に複数配設してもよい。
そして、これらの場合、複数個の半導体発光素子20の帯電防止膜24は電位が共通に接続されていることが好適である。
In the above embodiment, the protrusion 22 has a triangular cross section. However, the present invention is not limited to this, and the cross section may be trapezoidal as shown in FIG.
In FIG. 1, the semiconductor light emitting element 20 is shown as being horizontally disposed in the vacuum vessel 10, but as shown in FIG. 9, the light emitting surface 20a has a lateral electron beam source 30. You may arrange | position so that it may incline a little so that it may face toward.
Furthermore, in the electron beam excitation light source device 1 shown in FIGS. 1 and 2, an example in which one semiconductor light emitting element 20 is arranged with respect to the electron beam source 30 is shown. The semiconductor light emitting element 20 may be disposed, and a plurality of combinations of the electron beam source 30 and the semiconductor light emitting element 20 may be disposed in one container 10.
In these cases, the antistatic films 24 of the plurality of semiconductor light emitting elements 20 are preferably connected to a common potential.

以上説明したように、本発明の電子線励起型光源は、電子線源が、半導体発光素子の光放射面に対して側方から電子線を照射するように配置され、前記半導体発光素子は、基板上に電子線入射方向に対して直交方向に延在する複数の突条部を備えてなり、該突条部は、一対のテーパー面を有し、前記電子線源側の電子が入射するテーパー面に発光層を備えるとともに、前記電子線源とは反対側のテーパー面に帯電防止膜を備えたことにより、半導体発光素子内での全反射による光の閉じ込めがなく、発光層表面から効率良く光が放射されるという効果を奏する。
また、突条部が一対のテーパー面を有するので、電子線源側に形成されたテーパー面の全域で電子線を入射させることができ、その入射面積を大きくすることができる。
更には、突条部の電子線源とは反対にあって電子線入射には寄与しない側のテーパー面に帯電防止膜を設けたので、電子線入射を何等阻害することなく半導体発光素子の帯電を防止できる。
加えて、この帯電防止膜をアルミニウムの層で構成することにより、発光層で発生した光を反射して、この反射光が発光層から取り出されるので、放射光の高出力化に寄与するものである。
As described above, the electron beam excitation light source of the present invention is arranged such that the electron beam source irradiates the electron beam from the side with respect to the light emitting surface of the semiconductor light emitting device, A plurality of protrusions extending in a direction orthogonal to the electron beam incident direction are provided on the substrate, the protrusions have a pair of tapered surfaces, and electrons on the electron beam source side are incident thereon. Equipped with a light emitting layer on the taper surface and an antistatic film on the taper surface opposite to the electron beam source, there is no confinement of light due to total reflection in the semiconductor light emitting device, and efficiency from the surface of the light emitting layer There is an effect that light is emitted well.
Further, since the protrusion has a pair of tapered surfaces, the electron beam can be incident on the entire tapered surface formed on the electron beam source side, and the incident area can be increased.
Furthermore, since the antistatic film is provided on the tapered surface on the side opposite to the electron beam source of the ridge and does not contribute to the electron beam incidence, the semiconductor light emitting device can be charged without obstructing the electron beam incidence. Can be prevented.
In addition, by constituting this antistatic film with an aluminum layer, the light generated in the light emitting layer is reflected and the reflected light is extracted from the light emitting layer, which contributes to higher output of radiated light. is there.

1 電子線励起型光源
10 真空容器
11 容器本体
11a 底壁
11b 側壁
12 光透過窓
20 半導体発光素子
20a 光放射面(上面)
21 基板
22 突条部
22a、22b テーパー面
23 発光層
24 帯電防止膜
25 バッファ層
25a、25b テーパー面
26 基材
30 電子線源




DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Electron beam excitation type light source 10 Vacuum container 11 Container body 11a Bottom wall 11b Side wall 12 Light transmission window 20 Semiconductor light emitting element 20a Light emission surface (upper surface)
21 Substrate 22 Projection 22a, 22b Tapered surface 23 Light emitting layer 24 Antistatic film 25 Buffer layer 25a, 25b Tapered surface 26 Base material 30 Electron beam source




Claims (3)

光透過窓を有する真空容器と、
前記真空容器内部において、表面が前記光透過窓に対向するよう配置された半導体発光素子と、
該半導体発光素子に電子線を照射する電子線源と、
を備えてなる電子線励起型光源装置において、
前記電子線源が、前記半導体発光素子の光放射面に対して側方から電子線を照射するように配置され、
前記半導体発光素子は、基板上に電子線入射方向に対して直交方向に延在する複数の突条部を備えてなり、
該突条部は、一対のテーパー面を有し、前記電子線源側の電子が入射するテーパー面に発光層を備えるとともに、前記電子線源とは反対側のテーパー面に帯電防止膜を備えたことを特徴とする電子線励起型光源装置。
A vacuum vessel having a light transmission window;
Inside the vacuum vessel, a semiconductor light emitting element disposed so that the surface faces the light transmission window;
An electron beam source for irradiating the semiconductor light emitting device with an electron beam;
In an electron beam excitation light source device comprising:
The electron beam source is arranged so as to irradiate an electron beam from the side with respect to the light emitting surface of the semiconductor light emitting device,
The semiconductor light emitting device comprises a plurality of protrusions extending on the substrate in a direction orthogonal to the electron beam incident direction,
The protrusion has a pair of tapered surfaces, and includes a light emitting layer on a tapered surface on which electrons on the electron beam source side are incident, and an antistatic film on a tapered surface opposite to the electron beam source. An electron beam excitation type light source device characterized by that.
該突条部は、該突条部の延在方向に直交する方向の断面が三角形状であることを特徴とする請求項1に記載の電子線励起型光源装置。   The electron beam excitation light source device according to claim 1, wherein the protrusion has a triangular cross section in a direction orthogonal to the extending direction of the protrusion. 前記帯電防止膜は、アルミニウムの層で形成されていることを特徴とする請求項1に記載の電子線励起型光源装置。


The electron beam excitation type light source device according to claim 1, wherein the antistatic film is formed of an aluminum layer.


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